换热器结构图A

第七节换热器
§4.7.1 间壁式换热器
一. 夹套式换热器
结构如图所示。

夹套空间是加热介质和冷却
介质的通路。

这种换热器主要用于反应过程
的加热或冷却。

当用蒸汽进行加热时，蒸汽
上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管流出。

作为冷却器时，冷却介质（如冷却水）由夹
套下部接管进入，由上部接管流出。

夹套式换热器结构简单，但由于其加热面受
容器壁面限制，传热面较小，且传热系数不
高。

二.喷淋式换热器
喷淋式换热器的结构与操作如下图所示。

这
种换热器多用作冷却器。

热流体在管内自下
而上流动，冷水由最上面的淋水管流
出，均匀地分布在蛇管上，并
沿其表面呈膜状自上而下流
下，最后流入水槽排出。

喷淋
式换热器常置于室外空气流通
处。

冷却水在空气中汽化亦可
带走部分热量，增强冷却效果。

其优点是便于检修，传热效果
较好。

缺点是喷淋不易均匀。

三.套管式换热器
套管式换热器的基本部件由直
径不同的直管按同轴线相套组
合而成。

内管用180°的回弯
管连接，外管亦需连接，结构
如图所示。

每一段套管为一程，
每程有效长度为4～6m。

若管
子太长，管中间会向下弯曲，
使环隙中的流体分布不均匀。

套管换热器的优点是构造简单，内管能耐高压，传热面积可根据需要增减，适当选择两管的管径，两流体皆可获得适宜的流速，且两流体可作严格逆流。

其缺点是管间接头较多，接头处易泄漏，单位换热器体积具有的传热面积较小。

故适用于流量不大、传热面积要求不大但压强要求较高的场合。

四.管壳式换热器
1.固定管板式
结构如图所示。

管子两
端与管板的连接方式可
用焊接法或胀接法固
定。

壳体则同管板焊接。

从而管束、管板与壳体
成为一个不可拆的整
体。

这就是固定管板式
名称的由来。

折流板主要是圆缺形与盘环形
两种，其结构如图所示。

操作时，管壁温度是由管程与
壳程流体共同控制的，而壳壁
温度只与壳程流体有关，与管
程流体无关。

管壁与壳壁温度
不同，二者线膨胀不同，又因
整体是固定结构，必产生热应
力。

热应力大时可能使管子压
弯或把管子从管板处拉脱。

所
以当热、冷流体间温差超过
50℃时应有减小热应力的措
施，称“热补偿”。

固定管板式列管换热器
行热补偿。

图所示的为
具有膨胀节的固定管板
式换热器，即在壳体上
焊接一个横断面带圆弧
型的钢环。

该膨胀节在
受到换热器轴向应力时
会发生形变，使壳
体伸缩，从而减小热应力。

但这种补偿方式仍不适用于热、冷流体温差较大（大于70℃）的场合，且因膨胀节是承压薄弱处，壳程流体压强不宜超过6at。

为更好地解决热应力问题，在固定管板式的基础上，又发展了浮头式和U型管式列管换热器。

2.浮头式
结构如图所示。

其特点是有一端管板不与外壳相连，可以沿轴向自由伸缩。

这种结构不但完全消除了热应力，而且由于固定端的管板用法兰与壳体连接，整个管束可以从壳体中抽出，便于清洗和检修。

浮头式换热式应用较为普遍，但结构复杂，造价较高。

3.U型管式
如图所示，U型管式换热器每根管子都弯成U型，管子的进出口均安装在同一管板上。

封头内用隔板分成两室。

这样，管子可以自由伸缩，与壳体无关。

这种换热器结构适用于高温和高压场合，其主要不足之处是管内清洗不易，制造困难。

§4.7.2管壳式换热器的设计和选用
一.管壳式换热器的设计和选用要考虑的问题
（一）冷，热流体流动的通道的选择
（二）流动方式的选择
（三）换热管规格和排列的选择
（四）折流挡板
二.管壳式换热器的给热系数
三.流体通过换热器的阻力损失
§4.7.3 其它类型换热器
一.各种板式换热器
1.螺旋板式换热器
结构如图所示。

其特点是有一端管
板不与外壳相连，可以沿轴向自由
伸缩。

这种结构不但完全消除了热
应力，而且由于固定端的管板用法
兰与壳体连接，整个管束可以从壳
体中抽出，便于清洗和检修。

浮头
式换热式应用较为普遍，但结构复
杂，造价较高。

螺旋板换热器的直径一般在1.6m
以内，板宽200～1200mm，板厚2～
4mm。

两板间的距离由预先焊在板上的定距撑控制，相邻板间的距离为5～25mm。

常用材料为碳钢和不锈钢。

螺旋板换热器的优点是：
①传热系数高：螺旋流道中的流体由于离心惯性力的作用，在较低雷诺数下即可达到湍流（一般在Re=1400～1800时即为湍流），并且允许采用较高流速（液体2m/s，气体20m/s），所以传热系数较大。

如水与水之间的换热，其传热系数
可达2000～3000W/(m2
·℃），而列管式换热器一般为1000～2000W/(m2
·
℃）。

②不易结垢和堵塞：由于对每种流体流动都是单通道，流体的速度较高，又有离心惯性力的作用，湍流程度高，流体中悬浮的颗粒不易沉积，故螺旋板换热器不易结垢和堵塞，宜处理悬浮液及粘度较大的流体。

③能利用低温热源：由于流体流动的流道长和两流体可完全逆流，故可在较小的温差下操作，充分回收低温热源。

据有的资料介绍，若流体出口端热、冷流体温差可小至3℃。

④结构紧凑：单位体积的传热面积约为列管式的3倍。

螺旋板式换热器的主要缺点是：
①操作压强和温度不宜太高：目前最高操作压强不超过20at，温度在400℃以下。

②不易检修：因常用的螺旋板换热器被焊成一体，一旦损坏，修理很困难。

2.平板式换热器
平板式换热器（通常为板式换热器）主要由一组冲压出一定凹凸波纹的长方形薄金属板平行排列，以密封及夹紧装置组装于支架上构成。

两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后可以达到对外密封的目的。

操作时要求板间通道冷、热流体相间流动，即一个通道走热流体，其两侧紧邻的流道走冷流体。

为此，每块板的四个角上个各开一个圆孔。

通过圆孔外设置或不设直圆环形垫片可使每个板间通道只同两个孔相连。

板式换热器的组装流程如图（a）所示。

由图可见，引入的流体可并联流入一组板间通道，而组与组间又为串联机构。

换热板的结构如图（b）所示。

板上的凹凸波纹可增大流体的湍流程度，亦可增加板的刚性。

波纹的形式有多种，图（b）所示的是人字形波纹板。

板式换热器的优点是：
①传热系数高：因板面上有波纹，在低雷诺数（Re=200左右）下即可达到湍流，而且板片厚度又小，故传热系数大。

热水与冷水间换热的传热系数可达℃）。

1500～4700W/(m2
·
②结构紧凑：一般板间距为4～6mm，单位体积设备可提供的传热面积为250～1000m2/m3（列管换热器只有40～150m2/m3）。

③具有可拆结构：可根据需要，用调节板片数目的方法增减传热面积。

故检修、清洗都比较方便。

板式换热器的主要缺点是：
①操作压强和温度不太高：压强过高容易泄漏，操作压强不宜超过20at。

操作温度受垫片材料耐热性能限制，一般不超过250℃。

②处理量小：因板间距离仅几毫米，流速又不大，故处理量较小。

3.板翅式换热器
板翅式换热器是一种更为高效、紧凑、轻巧的换热器，应用甚广。

板翅式换热器的结构形式很多，但其基本结构元件相同，即在两块平行的薄金属板之间，夹入波纹状或其它形状的金属翅片，并将两侧面封死，即构成一个换热基
本单元。

将各基本元件进行不同的
叠积和适当的排列，并用钎焊固
定，即可制成并流、逆流或错流的
板束（或称芯部）。

其结构如图所
示。

将带有流体进、出口接管的集
流箱焊在板束上，就成为板翅式换
热器。

我国目前常用的翅片型式有
光直型、锯齿形和多孔形翅片三
种，如图所示。

板翅式换热器的优点是：
①传热系数高、传热效果好：
因翅片在不同程度上促进了湍流
并破坏了传热边界层的发展，故传
热系数高。

空气强制对流给热系数
℃），油类强制
为35～350W/(m2
·
对流时给热系
数为115～1750W/(m2
℃）。

冷、热流体间换热不仅以平隔板为传热面，而
·
且大部分通过翅片传热（二次传热面），因此提高了传热效果。

②结构紧凑：单位体积设备提供的传热面积一般能达到2500～4300m2/m3。

③轻巧牢固：通常用铝合金制造，板重量轻。

在相同的传热面积下，其重量约为列管式换热器的1/10。

波形翅片不单是传热面，亦是两板间的支撑，故其强度很高。

④适应性强、操作范围广：因铝合金的导热系数高，且在0℃以下操作时，其延伸性和抗拉强度都较高，适用于低温及超低温的场合，故操作范围广。

此外，既可用于两种流体的热交换，还可用于多种不同介质在同一设备内的换热，故适应性强。

板翅式换热器的缺点是：
①设备流道很小，易堵塞，且清洗和检修困难，所以，物料应洁净或预先净制。

②因隔板和翅片都由薄铝片制成，故要求介质对铝不腐蚀。

二.强化管式换热器
1.翅片管
翅片管换热器是在管的表面加装翅片制成。

常用的翅片有横向和纵向两类，图所示的是工业上广泛应用的几种翅片形式。

翅片与管表面的连接应紧密，否则连接处的接触热阻很大，影响传热效果。

常用的连接方法有加套、镶钳、张力缠绕和焊接等方法。

此外，翅片管也可采用整体轧制、整体铸造和机械加工等方法制造。

2.热管
热管是60年代中期发展起来的一种新型传热元件。

它是在一根抽除不凝性气体的密闭金属管内充以一定量的某种工作液体构成，其结构如图所示。

工作液体因在热端吸收热量而沸腾汽化，产生的蒸汽流至冷端放出潜热。

冷凝液回至热端，再次沸腾汽化。

如此反复循环，热量不断从热端传至冷端。

冷凝液的回流可以通过不同的方法（如毛细管作用、重力等）来实现。

目前常用的方法是将具有毛细结构的吸液芯装在管的内壁上，利用毛细管的作用使冷凝液由冷端回流至热端。

热管工作液体可以是氨、水、丙酮、汞等。

采用不同液体介质有不同的工作温度范围。

热管传导热量的能力很强，为最优导热性能金属的导热能力的103～104倍。

因充分利用了沸腾及冷凝时给热系数大的特点，通过管外翅片增大传热面，且巧妙地把管内、外流体间的传热转变为两侧管外的传热，使热管成为高效而结构简单、投资少的传热设备。

目前，热管换热器已被广泛应用于烟道气废热的回收过程，并取的了很好的节能效果。